東峰礦8101 工作面并行電法探測(cè)頂板富水區(qū)技術(shù)研究

郭斌

（忻州市應(yīng)急管理局，山西忻州 034000）

1 概況

我國(guó)煤炭資源豐富，許多煤田中存在多層可采煤層，儲(chǔ)量十分豐富，然而多煤層賦存的煤田中建設(shè)的礦井，上部煤層開采后采空區(qū)中的積水常常是威脅下部煤層開采的主要水源之一。為了消除上覆采空區(qū)積水對(duì)下部煤層開采的影響，國(guó)內(nèi)外眾多專家和學(xué)者從不同角度出發(fā)研究了頂板采空區(qū)積水的防治方法，取得了豐碩的成果，指導(dǎo)了礦井的安全生產(chǎn)。本文以東峰礦8101 工作面為例，采用并行電法探查了煤層頂板和采空區(qū)的富水性，為8101工作面的安全生產(chǎn)提供了依據(jù)。

2 工程情況

東峰礦位于山西省太原市西部的萬(wàn)柏林區(qū)王封鄉(xiāng)冀家溝村，主要開采2～9 號(hào)煤層。8101 工作面位于礦井一采區(qū)北部，工作面東部為井田邊界，南部為8102 綜采工作面采空區(qū)，西部為上山輔助運(yùn)輸巷、上山輔助回風(fēng)巷，東部為采區(qū)邊界，對(duì)應(yīng)地面位置位于東曲街道辦西嶺頭村委會(huì)隨老母村北部，礦區(qū)工業(yè)廣場(chǎng)東北部，地表呈第四系雜填土、基巖中山區(qū)地貌，地面多被植被和灌木覆蓋，溝谷和山梁相間分布，地形比較復(fù)雜。8101 工作面開采區(qū)域的中部為地勢(shì)最高點(diǎn)，標(biāo)高為+1375.6 m，開采區(qū)域的東部為勢(shì)最低點(diǎn)，標(biāo)高為+1185 m。8101 工作面主要開采8 號(hào)煤層，煤層厚度為2.7～3.3 m，平均為3.1 m，局部含2 層夾矸，矸石總厚度為0.02～0.1 m，煤層傾角為2°～6°，平均為4°。8101 工作面設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為466 m，可采長(zhǎng)度為450 m，設(shè)計(jì)寬度150 m，煤層頂板標(biāo)高+1066.6—+1097.1 m，煤層埋深為103.5～297.1 m，煤層頂?shù)装鍘r層發(fā)育情況如圖1 所示。

圖1 8101 工作面煤層頂、底板巖層綜合柱狀示意Fig.1 The comprehensive columnar diagram of coal seam roof and floor strata in No.8101 Face

8101 工作面煤層上距L1石灰?guī)r含水層平均距離3.0 m，L1石灰?guī)r含水層平均厚度為2.3 m，富水性較弱，水質(zhì)類型為SO42-·HCO3--Ca2+·Na+型；煤層上距K2石灰?guī)r含水層平均距離為10.85 m，K2石灰?guī)r含水層厚度為6.38 m，富水性較弱，水質(zhì)類型為SO42-·HCO3--Ca2+·Na+型。根據(jù)前期地面鉆探情況分析，L1薄層石灰?guī)r含水層單位涌水量小于0.05 L/s·m，充水強(qiáng)度較弱，對(duì)工作面回采影響較小，但工作面上覆存在7 號(hào)煤層的采空區(qū)，7 號(hào)煤層距離8 號(hào)煤層的平均距離為24.37 m，位于8 號(hào)煤層開采后形成的導(dǎo)水裂隙帶范圍內(nèi)，由于上覆7 號(hào)煤層采空區(qū)煤層底板高程未收集，無(wú)法判斷7 號(hào)煤層采空區(qū)中可能積水區(qū)域的位置，探放位置不準(zhǔn)、疏放不干凈的情況下對(duì)8 號(hào)煤層的安全開采造成嚴(yán)重的威脅，因此需要對(duì)8101 工作面頂板富水區(qū)域進(jìn)行探查，確保工作面安全生產(chǎn)。

3 并行電法探測(cè)技術(shù)研究

目前針對(duì)礦井頂板富水性探測(cè)的技術(shù)手段較多，其中應(yīng)用比較廣泛的主要包括瞬變電磁法、可控源音頻大地電磁法、直流電法和并行電法等。瞬變電磁法受井下施工現(xiàn)場(chǎng)的錨網(wǎng)、錨桿等金屬支護(hù)材料影響嚴(yán)重，探測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性較差；可控源音頻大地電磁法由于儀器設(shè)備價(jià)格較高，需要較大的資金投入，目前應(yīng)用較少，并且由于不同的礦井地質(zhì)條件存在較大差異，不同地質(zhì)條件下煤巖層電阻率差異較大，造成可控源音頻大地電磁法數(shù)據(jù)的解釋較為復(fù)雜，不僅需要經(jīng)驗(yàn)豐富的專業(yè)人士進(jìn)行解釋，而且工作量較大；直流電法探測(cè)準(zhǔn)確性較高，但目前仍存在頂板電極耦合困難、探測(cè)深度較小等問題，而并行電法能夠很好的解決該問題，因此，此次東峰礦8101 工作面采用并行電法探測(cè)煤層頂板的富水性和采空區(qū)的充水性。

3.1 技術(shù)原理

煤炭為典型的沉積礦產(chǎn)，煤系地層通常具有清晰的沉積層序，因此在正常的條件下，煤巖層有較為固定的變化規(guī)律，為使用電法探查巖層的富水性提供了前提條件。并行電法是以直流電法為基礎(chǔ)，各電極通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與主機(jī)保持實(shí)時(shí)聯(lián)系，能夠很好的規(guī)避電極耦合的問題，并且通過(guò)多電機(jī)的聯(lián)合探測(cè)，能夠有效增加探測(cè)深度，目前較為流行的主要包括AM 法和ABM 法兩種，如圖2 所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)并行電法采集電位圖Fig.2 Network parallel electrical acquisition potential

3.2 并行電法探測(cè)現(xiàn)場(chǎng)布置

為此次東峰礦8101 工作面探測(cè)過(guò)程中使用到的儀器設(shè)備：①安徽惠州地質(zhì)安全研究院生產(chǎn)的YBD11-Z 型礦用網(wǎng)絡(luò)并行電法儀，如圖3 所示；②電極48 對(duì)（96 個(gè)）；③采集基站5 臺(tái)；④采集大線6 根。施工前首先在巷道側(cè)幫上施工安裝電極的鉆孔，孔間距為10 m，孔深為2 m，采用炮泥耦合的方式將電極與孔壁繼進(jìn)行耦合，具體布置情況如圖4 所示。

圖3 并行電法探測(cè)儀器Fig.3 Parallel electrical exploration instrument

圖4 探測(cè)系統(tǒng)布置示意Fig.4 Exploration system layout

現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集采用AM 法，選用0.1、0.2、0.5、1、2 s 恒流供電方波各采集數(shù)據(jù)一次，以校驗(yàn)電阻率數(shù)據(jù)采集的可靠性。

3.3 數(shù)據(jù)處理

此次8101 工作面頂板并行電法探測(cè)技術(shù)所有測(cè)站采用串聯(lián)的方式進(jìn)行，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)編錄情況，對(duì)電流和電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，原始數(shù)據(jù)如圖5 和圖6 所示。

圖5 實(shí)測(cè)原始電流數(shù)據(jù)曲線Fig.5 The measured original current data curve

圖6 實(shí)測(cè)原始電壓數(shù)據(jù)曲線Fig.6 The measured original voltage data curve

數(shù)據(jù)處理采用AGI-Earth Imager 3D 軟件進(jìn)行，得到如圖7 所示結(jié)果，根據(jù)相鄰工作面地面勘探鉆孔ZB-12 的測(cè)井曲線可知，第四系松散地層平均視電阻率值為25 Ω·m 左右；8 號(hào)煤層頂板的石灰?guī)r表現(xiàn)為相對(duì)高阻，平均視電阻率值為200 Ω·m左右，頂板砂巖電阻率平均為29 Ω·m 左右，其它巖層的視電阻率平均值亦為25 Ω·m 左右。

圖7 8101 工作面煤層頂板不同位置視電阻率分布圖Fig.7 The distribution of apparent resistivity at different positions of coal seam roof in No.8101 Face

從圖7 中可以看出，8101 工作面頂板左邊區(qū)域主要表現(xiàn)為相對(duì)高阻，右邊區(qū)域主要表現(xiàn)為相對(duì)低阻。通過(guò)綜合分析初步推斷靠近右側(cè)上巷的“Y”字型區(qū)域?yàn)橐坏妥璁惓^(qū)，對(duì)應(yīng)水平方向230～400 m，聯(lián)絡(luò)巷/切眼方向0～150m，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行電法數(shù)據(jù)采集時(shí)發(fā)現(xiàn)該區(qū)域頂板有頂板淋水，可能為上覆7 號(hào)煤層開采后形成的低洼積水區(qū)。

4 探測(cè)結(jié)果分析

結(jié)合探測(cè)異常區(qū)的位置，在8101 工作面上順槽通尺350、370 和390 m 處向下順槽方向施工了3 個(gè)探查鉆孔，進(jìn)行富水異常區(qū)鉆探驗(yàn)證。通尺350 m 處的1 號(hào)鉆孔傾角為+50°，孔深為34.2 m，成孔時(shí)水量為3.6 m3/h；通尺370 m 處的探2 號(hào)鉆孔傾角為+50°，孔深為33.8 m，成孔時(shí)水量為2.3 m3/h；通尺390 m 處的探3 號(hào)鉆孔傾角為+50°，孔深為34 m，成孔時(shí)水量為3.3 m3/h，成孔時(shí)的總水量為9.2 m3/h，證明此次探測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

后經(jīng)過(guò)3 個(gè)探查鉆孔11 d 的疏放，最終涌水量之和減小到0.8 m3/h，封孔后實(shí)現(xiàn)了8101 工作面的安全開采，證明8101 工作面頂板并行電法探查結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)東峰礦8101 工作面地質(zhì)和水文地質(zhì)條件分析，認(rèn)為上覆的7 號(hào)煤層采空區(qū)低洼處積水是威脅8101 工作面安全生產(chǎn)的主要因素。通過(guò)實(shí)施并行電法勘探，推斷靠近右側(cè)上巷的“Y”字型區(qū)域?yàn)橐坏妥璁惓^(qū)。而后在8101 工作面上順槽通尺350、370 和390 m 處向下順槽方向施工了3 個(gè)探查鉆孔，成孔時(shí)的鉆孔總涌水量為9.2 m3/h，經(jīng)過(guò)11 d 的疏放，最終涌水量之和減小到0.8 m3/h，封孔后實(shí)現(xiàn)了8101 工作面的安全開采，鉆探驗(yàn)證表明了8101 工作面頂板并行電法探查結(jié)果準(zhǔn)確可靠，為其它工作面探查頂板富水異常區(qū)提供了經(jīng)驗(yàn)借鑒。